用于涡轮转子盘的感应加热的系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有至少一个转子盘的涡轮转子。涡轮转子包括用于加热转子盘的至少一部分的加热装置。加热装置包括用于传导电流的导体。导体被定位成使得在该导体中存在电流的情况下，在转子盘中的部分中产生涡电流。电流是交流电流。在转子盘中的部分中所产生的涡电流导致转子盘中的部分的感应加热。
【专利说明】用于涡轮转子盘的感应加热的系统
[0001]本发明涉及一种用于加热部分燃气涡轮的系统和方法，更具体地涉及一种用于加热燃气涡轮的转子盘的系统和方法。
[0002]具有高工作温度的燃气涡轮中的一些部分经常遭受循环机械应力。众所周知，这样的部分的一个示例是包含转子盘和叶片的涡轮转子，叶片从涡轮转子的转子盘径向地向外延伸。盘由于通过涡轮转子的叶片的热气的运动而旋转。对叶片这个影响以及所造成的在转子盘中心部分处产生的旋转会导致转子盘中的循环机械应力。
[0003]此外，在燃气涡轮中，在涡轮转子的旋转已经被发起的阶段，通过叶片的高温热气迅速地提高了涡轮转子的外围部分温度，即与盘的中心部分相比较的盘的外围部分，而盘的中心部分在该工作阶段仍具有低温，这因而在涡轮转子内建立了热梯度。由于气体温度非常高，因此热梯度也是极端的，并且因而导致涡轮转子中的热应力。然而，在被连续旋转一些时间之后，热分布于整个涡轮转子，并且梯度下降。
[0004]与热应力耦合的循环机械应力会导致对涡轮转子的损害。在涡轮的锻造部件中损害的机会更大。众所周知，在制造期间不管使用什么锻造技术，由于锻造部件包含某一级别的材料不连续性，都会使得损害的机会成倍增加，其中所述材料不连续性根据例如包含盘和叶片的涡轮转子的锻造部件的位置、定向和工作条件而增长。
[0005]因此，由于热梯度下降，转子盘材料的断裂韧度增加，其结果是，在涡轮转子开始旋转之前或在旋转的初始阶段期间，盘的预热将使涡轮转子的损害或故障的机会最小。
[0006]因此，在必要时，在涡轮转子开始旋转之前或在旋转的初始阶段期间，使用转子盘的加热。当涡轮转子缓慢旋转时，通过引导加热的空气通过转子盘来实现加热。该方法和所需的装置是昂贵的，并且占用额外的设施空间，这使得涡轮笨重。此外，热能通过盘的表面被间接提供到材料中，并且从盘的表面，热能分布到盘中。因此，这样的过程必然伴随着不期望的能量损失，并且也需要更长的时间来提供盘中的最佳温度，从而导致燃气涡轮效率的降低。
[0007]加热盘的另一方式是在燃烧机点火之后、在旋转的初始阶段中减速运行燃气涡轮，以允许盘正常地获得涡轮转子的旋转的期望最佳速度所需的最佳温度。该过程发生在相对于期望旋转速度明显降低的旋转速度。在此，缺点是在旋转初始阶段期间的额外的燃料消耗和污染气体的排放增加。
[0008]因此，本发明的目的是公开一种用于加热部分燃气涡轮的系统和方法，更具体地，公开一种用于以简单、高效且经济的方式加热燃气涡轮的转子盘的系统和方法。
[0009]通过权利要求12的方法和权利要求1的涡轮转子中公开的发明来实现该目的。有利发展出现在从属权利要求中。
[0010]本发明的思想是提供一种用于涡轮转子中转子盘的感应加热的系统和方法。系统是具有至少一个转子盘的涡轮转子。根据本发明的涡轮转子包括用于加热转子盘的至少一部分的加热装置。加热装置包括用于传导电流的导体。导体相对于转子盘被定位成使得在导体中存在电流的情况下，转子盘中的部分中产生涡电流。导体可以与要被加热的转子盘中的部分电绝缘。电流是交流电。转子盘中的部分中所产生的涡电流导致转子盘的部分的感应加热。
[0011]在涡轮转子的实施方式中，涡轮转子包括多个转子盘，并且导体延伸穿过涡轮转子中的至少两个相邻转子盘。因此，多个转子盘中的不同部分可以利用导体而感应加热。作为示例，导体可以被定位成使其沿转子盘的转轴延伸并且通过盘的中心孔。
[0012]在涡轮转子的另一实施方式中，导体包括涡轮转子的系杆。系杆适于传导电流。本领域中公知的是，系杆是涡轮的公共组件，并且当系杆本身用作导体来传导电流时，避免了对于具有用作导体的附加组件的需求。例如，系杆可以是涡轮转子的中心系杆。这使得涡轮转子的构造简单且成本有效。
[0013]在涡轮转子的另一实施方式中，导体还包括沿系杆布置的传导元件。导体可以与系杆电绝缘。传导元件适于传导电流。这提供了针对传导元件的构造而使用任何所需材料的灵活性。另外，传导元件可以具有适合涡轮构造的所需形状。
[0014]在涡轮转子的另一实施方式中，导体包括多个传导元件。传导元件沿系杆的横截面的圆周对称布置。这提供了实现转子盘均匀加热的优点。
[0015]在涡轮转子的另一实施方式中，导体包括至少一个突出部。突出部从导体向外延伸向转子盘的外周。突出部适于传导电流且生成转子盘中的部分中的。这提供的优点是加热具有大中心孔的转子盘或任何其他类型的涡轮转子，对其而言，转子盘的内表面距位于轴或系杆中或位于轴或系杆上的导体有很大距离，因为该很大距离将导致产生涡电流的效率降低，从而导致加热的效率降低。
[0016]在另一实施方式中，涡轮转子还包括用于将电流提供到导体的电连接器。电连接器电耦合到导体。因此，电流可以被提供到导体，并且涡电流可以在转子盘中的部分中产生。
[0017]在涡轮转子的另一实施方式中，电连接器是电逆变器。因此，直流电流源可以用在涡轮转子中用于感应加热。
[0018]在另一实施方式中，涡轮转子还包括至少一个集电环。集电环定位在导体和电连接器之间。通过集电环，电流从电连接器连续地流到导体。集电环提供的优点是，当涡轮转子旋转时以及当涡轮转子静止时，将电流提供到导体。
[0019]在另一实施方式中，涡轮转子还连接到适于控制导体中电流量的控制单元。这提供的优点是调节导体中流动的电流量。可以调节电流强度。还可以调节电流流过导体的时间。可以完全停止导体中电流的流动。另外，控制单元可以用于产生和维持导体中电流的间歇流动。
[0020]在涡轮转子的另一实施方式中，控制单元还可以包括适于确定转子盘中的部分的温度的温度传感器。控制单元适于基于所确定的温度来控制导体中的电流量。因此，感应加热的结果是，控制单元的功能可以基于转子盘中的部分中达到的温度。在转子盘中的部分到达期望的目标温度之后，可以停止电流的流动。在转子盘中的部分的温度降到期望的目标温度之下的情况下，导体中电流的流动可以再次被发起，并且随后在转子盘中的部分中达到目标温度时被停止。
[0021]根据本发明，还提供了涡轮转子的至少一个转子盘的至少一部分的感应加热的方法。涡轮转子包括用于加热至少一个转子盘中的部分的加热装置和电连接器。加热装置包括用于传导电流的导体。电连接器电耦合到导体并且用于将电流提供到导体。导体相对于转子盘被定位成使得在导体中存在电流的情况下，在转子盘中的部分中产生涡电流。方法包括传递导体中的电流。
[0022]在方法的另一实施方式中，在涡轮转子开始旋转之前发起导体中的电流的传递。这提供的优点是在涡轮转子旋转之前加热转子盘中的部分，因此，当转子盘静止时，涡轮转子可以被感应加热。
[0023]在方法的另一实施方式中，在涡轮转子开始旋转之后发起导体中电流的传递。其中方法的该实施方式被实现的涡轮转子包括定位于导体和电连接器之间的至少一个集电环。通过集电环，所传递的电流从电连接器流动到导体。这提供的优点是在涡轮转子旋转的同时感应加热转子盘中的部分。
[0024]在另一实施方式中，方法包括基于所确定的温度控制导体中的电流。其中方法的该实施方式被实现的涡轮转子包括适于控制导体中电流量的控制单元和适于确定转子盘中的部分的温度的温度传感器。在控制导体中的电流中，感应加热的结果是，基于转子盘中的部分中达到的温度，可以调节导体中的电流量。在转子盘的一部分达到期望的目标温度之后，可以停止电流的流动。如果该部分的温度降到期望的目标温度之下，则导体中电流的流动可以再次被发起，并且随后在转子盘中的部分中达到目标温度时被停止。
[0025]所公开的系统和方法提供了若干其他优点。由于热应力的减小，与在热应力没有通过外部措施被减小的情况下的涡轮转子的启动速度相比，可以提高涡轮转子的启动速度。这导致涡轮的更大的操作灵活性。
[0026]此外，根据本发明，感应加热的结果是，在需要热的地方即在需要加热以减小涡轮转子中的热应力的转子盘中的部分中，直接产生热。在加热期间，加热更快，需要的能量更少，且避免污染物的排放。除了上述优点之外，根据本发明，感应加热所需的施工量远小于加热的现有系统情况下的施工量。
[0027]参照附图中所示的实施方式，下文中进一步描述本发明，其中:
[0028]图1是典型燃气涡轮的示意图；
[0029]图2a是包含转子盘的涡轮转子的横截面的示意图，横截面沿垂直于涡轮转子的转轴的方向；
[0030]图2b是涡轮转子的前视图的示意图；
[0031]图3示意性地示出了在转子盘的一部分中的涡电流的产生；
[0032]图4是包含传导元件的导体的实施方式的示意图；
[0033]图5示意性地示出了多个传导元件的布置；
[0034]图6示意性地示出了多个传导元件的另一布置；
[0035]图7是包含突出部的导体的示意图；
[0036]图8是导体连同温度传感器、控制单元和电连接器的示意图；以及
[0037]图9是导体连同集电环的示意图。
[0038]在下文中，详细描述用于实现本发明的最佳模式。参照附图，描述各种实施方式，其中，相同的附图标记总是用于表示相同的元素。
[0039]在以下描述中，出于说明的目的，许多具体细节被阐述以提供对一个或更多个实施方式的全面理解。显然，这样的实施方式可以在没有这些具体细节的情况下被实施。
[0040]参照附图，图1示意性地示出了典型燃气涡轮I及其截面侧视图。燃气涡轮I通常包含用于大气的进口(未示出)、具有可旋转压缩机转子25的压缩机单元2、燃烧单元3、具有可旋转涡轮转子45的涡轮单元4和出口(未示出)。
[0041]大气被进口接收并且被传递到压缩机单元2，大气在压缩机单元2中受到压缩并且随后被传递到燃烧单元3，压缩空气在燃烧单元3中被添加燃料并且被点燃。因此，在燃烧单元3中，至少一部分压缩空气燃烧，从而产生具有高温和高压的热气。
[0042]然后，未使用的压缩空气(如果有的话)和产生的热气被传递通过涡轮单元4的涡轮转子45，从而使涡轮转子45旋转和产生工作。未使用的压缩空气(如果有的话)和热气在传递通过涡轮单元4之后通过出口离开燃气涡轮I。
[0043]涡轮单元4中的涡轮转子45通常包括轴向间隔开的转子盘41，转子盘41在通常为圆柱的外壳(未示出)中旋转。另外，涡轮转子45可以包含叶片42，叶片42从涡轮转子45的转轴10径向向外延伸向外壳。
[0044]类似地，压缩机单元2中的压缩机转子25通常包括轴向间隔开的压缩机转子盘21，压缩机转子盘21在通常为圆柱的外壳(未示出)中旋转。另外，压缩机转子25可以包含压缩机叶片22，叶片22从压缩机转子25的转轴10径向向外延伸向外壳。
[0045]涡轮转子45被布置在沿轴10放置的系杆6之上并且被系杆6固定在一起。类似地，压缩机转子25被布置在系杆6之上并且被系杆6固定在一起。在燃气涡轮I中，压缩机单元2和涡轮单元4还经常被布置在系杆6之上并且被系杆6固定在一起。另外，压缩机单元2和涡轮单元4通过空心轴5连接。
[0046]图2a是包含转子盘41的涡轮转子45的截面侧视图的示意图。截面沿垂直于轴线10的方向。从图2a中清楚看出，涡轮转子45包含叶片42、转子盘41和系杆6的截面。
[0047]图2b是包含转子盘41和布置在转子盘41上的叶片42的涡轮转子45的前视图的示意图。系杆6通过转子盘41的中心孔。根据本发明的目的，描述转子盘41中的部分99。如前所述，在叶片42和部分99之间建立要被降低的热梯度。根据本发明的方面，为了降低热梯度，部分99需要被加热。
[0048]部分99可以是转子盘41主体中的任何一个部分或可以是转子盘41主体中的多个部分。应当指出，部分99还可以是转子盘41的整个主体。
[0049]图3示意性地示出了转子盘41的部分99中涡电流50的产生。图3示出了涡轮转子45的截面的截面侧视图，其中，截面在垂直于轴线10(如图1中所示)的方向上。根据本发明的方面，涡轮转子45包括用于传导电流9的导体65。导体65被定位成使得在导体65中存在电流9的情况下，在转子盘41的部分99中产生涡电流50。
[0050]一般而言，交流电流通过存在于导电物体附近的电导体的结果是，导电物体中产生涡电流50。电导体可以与该物体电绝缘。该电绝缘可以通过本领域已知的各种方式来实现，例如通过电导体和物体之间存在的电介质材料层或简单地空气层。
[0051]再次参照图3，由于转子盘41通常是由金属和金属合金制成的导电物体，因此电流9通过部分99附近的导体65将导致部分99中涡电流50的产生。当电流9被传递通过导体65时，部分99可以与导体65电绝缘。这些涡电流50将导致转子盘41的部分99的加热。
[0052]还应当指出，在包括多个转子盘41的涡轮转子45的布置中(如图1所示)，如图3明确示出的，导体65可以延伸穿过涡轮转子45中的至少两个相邻转子盘41。
[0053]根据本发明的方面，在涡轮转子45的一个实施方式中，导体65可以是涡轮转子45本身的系杆6 (如图1所示)。在该实施方式中，系杆6充当导体65并且适于传导电流9。
[0054]图4示意性地示出了包含传导元件7的导体65。传导元件7例如缆线适于传导电流9并且沿轴10线和/或沿系杆6布置。传导元件7通过绝缘层11与系杆6电绝缘。
[0055]传导元件7由任何导电材料制成。应当指出，通过图4，只描述一个传导元件7，在涡轮转子45的某些实施方式中，导体65可以包括沿系杆6和/或轴线10布置的多个传导元件7。
[0056]图5和图6不意性地不出了形成导体65的多个传导兀件7的不同不例性布置。在如图5和图6所示的示例实施方式中，涡轮转子45的导体65包括沿系杆6的截面的圆周66对称布置的多个传导兀件7。每个传导兀件7可以与系杆6以及部分99电绝缘。如图5所示，传导元件7可以布置在圆周66外部；或者如图6所示，可以布置在圆周66内部。当传导元件7在圆周66内部时，传导元件7可以布置在延伸穿过平行于轴线10的系杆6的纵向槽(未示出)中。
[0057]图7示意性地示出了涡轮转子45，其具有大中心孔以使得转子盘的内表面距位于系杆中或系杆上的导体有很大距离。该很大距离导致转子盘的部分99中涡电流产生的效率降低，从而导致加热效率降低。
[0058]为了克服该问题，导体65包含突出部8。每个突出部8从导体65向外延伸向转子盘41的外周43。突出部8适于传导电流9并且在转子盘41的部分99中产生涡电流50。
[0059]突出部8可以是任何形状并且可以延伸直到外周43。每个突出部8的主要功能是将电流9传送到部分99附近。突出部8可以与部分99电绝缘。突出部8可以通过修改导体65而产生，并且因此突出部8连同导体65 —起可以形成由相同材料形成的单一连续物理实体；或者可以是电附接到导体65的分离元件。
[0060]在本发明的一些实施方式中，每个突出部8可以具有相似的形状和尺寸；并且可以具有相似的空间定向。在一些其他实施方式中，突出部8可以具有不同的形状和尺寸；并且可以具有不同的空间定向。还可能存在其他实施方式，其中，一些突出部8具有相似的形状和尺寸以及相似的空间定向，而其余突出部8具有不同的形状和尺寸以及不同的空间定向。
[0061]图8是导体65连同涡轮转子45中的电连接器80、控制单元70和温度传感器75的示意图。电连接器80用于将电流9提供到导体65。电连接器80电耦合到导体65。电连接器80可以是但不限于电逆变器、具有恒定频率的静态电流源等。在功能上，电连接器80是用于将交流电流提供到导体65的装置。
[0062]控制单元70适于控制导体65中电流9的量，温度传感器75适于确定转子盘41的部分99的温度。控制单元70适于基于所确定的温度来控制导体65中电流9的量。
[0063]根据本发明的目的，可以通过将部分99加热到目标温度来实现热梯度的最小化以及随后热应力的减小。可以通过使用本领域已知的各种应力计算技术中的任一种如断裂力学计算技术来确定目标温度，并且因此，为了简洁起见，本文未描述应力计算技术。
[0064]控制单元70还可以适于比较由温度传感器75确定的温度和目标温度，并且基于该比较的结果，控制单元70可以调节导体65中流动的电流9。例如，当所确定的温度高于目标温度时，控制单元70可以停止导体65中电流9的流动。类似地，如果在涡轮转子45旋转开始之前和/或涡轮转子45旋转开始之后的任何时间期间，由温度传感器75确定的温度低于目标温度，则可以提供导体65中电流9的流动。
[0065]图9是导体65连同涡轮转子45中的集电环90的示意图。涡轮转子45还可以包括至少一个集电环90。集电环90被定位在导体65和电连接器80之间。通过该定位，电流9将通过集电环90从电连接器80连续地流到导体65。
[0066]一般而言，集电环是用于将电流从静止单元转移到旋转单元的旋转耦合。集电环的构造、类型和功能在本领域中通常是已知的，并且因此为了简洁起见，本文未加以描述。
[0067]应当指出，尽管以上针对燃气涡轮描述了本发明，然而其可以适当地用于减少任何类型涡轮中的热梯度(如果有的话)。
[0068]还应当指出，如果需要减少可能存在的任何热梯度，则上述发明可以容易地用于涡轮的任何部分如压缩机盘25(如图1所示)的感应加热。
[0069]尽管已经参照特定的实施方式详细描述了本发明，然而应当认识到，本发明不限于这些确切的实施方式。相反地，考虑到描述用于实践本发明的当前最佳模式的本公开，对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明范围和精神的情况下，发明本身具有许多修改和变型。因此，本发明的范围是通过下面的权利要求而非上面的描述来指出的。在权利要求等价物的范围和意义内的所有改变、修改和变型被视为在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种具有至少一个转子盘(41)的涡轮转子(45)，所述涡轮转子(45)包括用于加热所述转子盘(41)的至少一部分(99)的加热装置，其中，所述加热装置包括用于传导电流(9)的导体(65)，所述导体￠5)被定位成使得在所述导体￠5)中存在电流(9)的情况下，在所述转子盘(41)的部分(99)中产生涡电流(50)。
2.如权利要求1所述的涡轮转子(45)，其中，所述涡轮转子(45)包括多个转子盘(41)，并且其中，所述导体(65)延伸穿过所述涡轮转子(45)中的至少两个相邻转子盘(41)。
3.如权利要求1或2所述的涡轮转子(45)，其中，所述导体￠5)包括涡轮转子(45)的系杆(6)，并且其中，所述系杆(6)适于传导所述电流(9)。
4.如权利要求1或2所述的涡轮转子(45)，其中，所述导体(65)包括适于传导所述电流(9)的传导元件(7)，并且其中，所述传导元件(7)沿系杆(6)布置。
5.如权利要求4所述的涡轮转子(45)，其中，所述导体(65)包括沿所述系杆(6)的截面的圆周(66)对称布置的多个传导元件(7)。
6.如权利要求1至5所述的涡轮转子(45)，其中，所述导体(65)包括至少一个突出部(8)，其中所述突出部(8)从所述导体(65)向外延伸向所述转子盘(41)的外周(43)，并且其中，所述突出部(8)适于传导所述电流(9)并且在所述转子盘(41)的所述部分(99)中产生涡电流(50)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的涡轮转子(45)，还包括用于将所述电流(9)提供到所述导体￠5)的电连接器(80)，其中所述电连接器(80)电耦合到所述导体(65)。
8.如权利要求7所述的涡轮转子(45)，其中，所述电连接器(80)是电逆变器。
9.如权利要求7或8所述的涡轮转子(45)，还包括定位于所述导体(65)和所述电连接器(80)之间的至少一个集电环(90)，以使得所述电流(9)通过所述集电环(90)从所述电连接器(80)连续地流到所述导体(65)。
10.如权利要求1至9中任一项所述的涡轮转子(45)，还包括控制单元(70)，所述控制单元(70)适于控制所述导体(65)中的所述电流(9)的量。
11.如权利要求10所述的涡轮转子(45)，其中，所述控制单元(70)还包括温度传感器(75)，所述温度传感器(75)适于确定所述转子盘(41)的所述部分(99)的温度，并且其中，所述控制单元(70)适于基于所确定的温度来控制所述导体(65)中的所述电流(9)的量。
12.一种用于感应加热涡轮转子(45)的至少一个转子盘(41)的至少一部分(99)的方法，所述涡轮转子(45)包括用于加热所述转子盘(41)的所述部分(99)的加热装置，其中，所述加热装置包括用于传导所述电流(9)的导体(65)，所述导体￠5)被定位成使得在所述导体￠5)中存在所述电流(9)的情况下，在所述转子盘(41)的所述部分(99)中产生涡电流(50)，并且其中，所述涡轮转子(45)还包括用于将所述电流(9)提供到所述导体(65)的电连接器(80)，并且其中，所述电连接器(80)电耦合到所述导体(65)，所述方法包括: -在所述导体￠5)中传递所述电流(9)。
13.如权利要求12所述的方法，其中，在所述涡轮转子(45)开始旋转之前发起所述导体(65)中的所述电流(9)的传递。
14.如权利要求12所述的方法，其中，所述涡轮转子(45)还包括定位于所述导体(65)和所述电连接器(80)之间的至少一个集电环(90)，以使得所述电流(9)通过所述集电环(90)从所述电连接器(80)连续地流到所述导体(65)，并且其中，在所述涡轮转子(45)开始旋转之后发起所述导体￠5)中的所述电流(9)的传递。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述涡轮转子(45)还包括控制单元(70)和温度传感器(75)，所述控制单元(70)适于控制所述导体(65)中的所述电流(9)的量，所述温度传感器(75)适于确定所述转子盘(41)的所述部分(99)的温度，所述方法包括: -基于所确定的温度来控制所述导体(65)中的所述电流(9)。
【文档编号】F01D19/02GK104204410SQ201380016567
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月15日 优先权日:2012年3月27日
【发明者】哈拉尔德·宁普奇, 斯文·埃克斯诺夫斯基, 斯特凡·库利希 申请人:西门子公司